接地電阻阻值遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)

郭耀泉

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,福建 龍巖 364021)

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接地電阻阻值遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)

郭耀泉

(閩西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系,福建 龍巖 364021)

針對(duì)接地電阻測(cè)量?jī)x無(wú)法實(shí)現(xiàn)接地電阻的遠(yuǎn)程測(cè)量及阻值的實(shí)時(shí)監(jiān)控，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)用鉗表法進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)量的系統(tǒng)。該系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為核心，利用SIM900A模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用VS2015編寫(xiě)上位機(jī)管理軟件，從而實(shí)現(xiàn)了多節(jié)點(diǎn)接地電阻的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)接入測(cè)量、監(jiān)控及數(shù)據(jù)的管理。與已有的測(cè)量系統(tǒng)相比，該測(cè)量系統(tǒng)消除了外部因素的影響，提高了測(cè)量精度，使用更加便捷。

接地電阻；MSP430F149；SIM900A；遠(yuǎn)程測(cè)量

接地電阻是用來(lái)衡量接地狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)，直接反映了接地狀態(tài)的好壞，它的大小是接地系統(tǒng)品質(zhì)優(yōu)劣的重要評(píng)判依據(jù)。精確、快速、簡(jiǎn)捷、可靠的接地電阻測(cè)量方法，已成為防雷接地領(lǐng)域內(nèi)的迫切需要[1]。目前，對(duì)接地電阻的測(cè)量大部分都是依靠人工方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量的，常用的測(cè)量接地電阻的方法有三極法和鉗表法[2-6]。三極法的基本原理是采用三點(diǎn)式電壓落差法，測(cè)量過(guò)程中須斷開(kāi)接地引下線(xiàn)，安裝兩根輔助測(cè)試極。用鉗表法測(cè)量時(shí)，不需斷開(kāi)接地引下線(xiàn)，不需兩根輔助電極，用鉗表夾住接地引下線(xiàn)即可測(cè)量接地電阻，故廣泛應(yīng)用于三極法測(cè)量受阻的場(chǎng)合。但這兩種方法的自動(dòng)化程度均低，工作強(qiáng)度大。此外，已有的接地電阻阻值遠(yuǎn)程檢測(cè)系統(tǒng)的功能不完善，沒(méi)有考慮檢測(cè)節(jié)點(diǎn)受劇烈天氣變化(溫度、濕度及土壤電阻率等)的影響，測(cè)量值隨外部因素的變化而變化，且測(cè)量精度較低；檢測(cè)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)不便捷，不能隨時(shí)增、刪檢測(cè)節(jié)點(diǎn)[7-13]。本研究根據(jù)實(shí)際測(cè)量需要，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于鉗表法的接地電阻阻值遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)，即應(yīng)用異頻法減少工作現(xiàn)場(chǎng)的干擾，采用線(xiàn)性差值法，增加溫濕度檢測(cè)模塊與檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置、時(shí)間信息，用以調(diào)整季節(jié)系數(shù)，消除外部因素的影響，提高測(cè)量精度；并且通過(guò)上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)接地電阻檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)增加、刪除和季節(jié)系數(shù)的智能調(diào)整，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的智能化管理；而且還實(shí)時(shí)掌握接地電阻的阻值變化，當(dāng)其超過(guò)閥值時(shí)會(huì)自動(dòng)報(bào)警，以確保電氣運(yùn)行裝置的安全，從而提高了測(cè)量的自動(dòng)化程度。

1 接地電阻阻值遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1 接地電阻阻值遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of remote measurement system of grounding resistance value

接地電阻阻值測(cè)量系統(tǒng)主要由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和數(shù)據(jù)處理上位機(jī)2部分組成，其系統(tǒng)如圖1所示。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)作為一個(gè)獨(dú)立單元，可以實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)的單獨(dú)控制；檢測(cè)節(jié)點(diǎn)接收上位機(jī)的命令后可進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)置與接地電阻(包括溫度、濕度)的測(cè)量工作，命令完成后通過(guò)通信模塊將執(zhí)行結(jié)果傳送給上位機(jī)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)。同時(shí)，上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后根據(jù)季節(jié)系數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的智能管理、狀態(tài)監(jiān)視，完成數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)。上位機(jī)還可以對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)進(jìn)行增刪等操作。

2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由GPRS通信模塊、單片機(jī)MSP430F149、AD轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)激勵(lì)模塊、濾波模塊、溫濕度檢測(cè)電路及外圍電路構(gòu)成，具體如圖2所示。

圖2 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件框圖Fig.2 Hardware block diagram of detection node

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)MSP430F149為核心對(duì)各模塊進(jìn)行控制，并對(duì)檢測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；GPRS通信模塊由SIM900A及外圍電路構(gòu)成，用于與上位機(jī)的通信，完成數(shù)據(jù)與命令的無(wú)線(xiàn)傳輸；信號(hào)激勵(lì)模塊由AD9850及外圍電路構(gòu)成，采用異頻法產(chǎn)生1.687 kHz的正弦電壓測(cè)量信號(hào)；AD轉(zhuǎn)換模塊(ADS8345)完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)，采集電流互感器的感應(yīng)電流和溫度、濕度參數(shù)。

2.1 信號(hào)激勵(lì)模塊

信號(hào)激勵(lì)模塊采用AD9850作為正弦電壓信號(hào)發(fā)生器，加上電壓幅值調(diào)整電路和功率放大電路組成頻率為1.687 kHz的正弦電壓激勵(lì)模塊。采用異頻法與系統(tǒng)的工作頻率完全區(qū)別開(kāi)來(lái)，以減少測(cè)量中的頻率干擾，提高測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

AD9850是Analog公司生產(chǎn)的最高時(shí)鐘信號(hào)為125 MHz的直接頻率合成器，主要由可編程DDS系統(tǒng)、高性能模數(shù)變換器(DAC)和高速比較器3部分構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成，并具有時(shí)鐘產(chǎn)生功能[14]。AD9850產(chǎn)生的正弦信號(hào)可通過(guò)編程進(jìn)行頻率和相位的設(shè)置。AD9850包含40位的可編程控制字，其中32位用來(lái)控制頻率，5位用來(lái)控制相位。40位控制字通過(guò)并行或串行連接方式送入AD9850的數(shù)據(jù)輸入寄存器內(nèi)保存。

如圖3所示，AD9850的時(shí)鐘信號(hào)通過(guò)CLKIN引腳與125 MHz的晶體振蕩器連接；D0～D7與單片機(jī)MSP430F149的P2端口通過(guò)并行方式相連接，用來(lái)傳遞40位的控制字。AD9850在工作之前首先進(jìn)行初始化工作，將P3.0(WLCK)與P3.1(FQ_UD)引腳設(shè)置為低電平，P3.2(RST)引腳設(shè)置為高電平，將AD9850復(fù)位；然后將P3.0(WLCK)引腳置高電平，形成上升沿信號(hào)，將控制字通過(guò)P2并行端口送入輸入寄存器，P3.0連續(xù)輸出5次上升沿，分5次將40位控制字依次裝入輸入寄存器內(nèi)?？刂谱州斎胪戤呏笤僭O(shè)置P3.1(FQ_UD)為高電平(形成上升沿信號(hào))，將控制字裝入頻率/相位寄存器，AD9850根據(jù)頻率/相位寄存器的內(nèi)容更新輸出的相位與頻率，也將地址指針指向第一個(gè)輸入寄存器，等待下一次控制字的裝入。正弦信號(hào)通過(guò)AD9850的 IOUT端輸出，再經(jīng)過(guò)電壓幅值調(diào)整與去除直流偏置電路，得到完整的正弦輸出信號(hào)。

圖3 AD9850電路連接圖Fig.3 Circuit diagram of AD9850

2.2 AD轉(zhuǎn)換模塊

圖4 帶通濾波電路連接圖Fig.4 Circuit diagram of band pass filter

由于外界的電磁場(chǎng)對(duì)監(jiān)測(cè)儀的干擾較大，為了減小接地電阻的誤差值，需選用帶通濾波電路來(lái)濾除干擾信號(hào)，將采樣信號(hào)保持在一個(gè)較窄的頻率帶范圍內(nèi)，帶通濾波電路連接情況如圖4所示。在本系統(tǒng)中正弦電壓信號(hào)的頻率為1.687 kHz，因此中心頻率設(shè)定為1.687 kHz，增益為1，品質(zhì)因素為6，選擇濾波電容為0.01 μF，根據(jù)公式可計(jì)算出各電阻值。通過(guò)Multisim對(duì)本設(shè)計(jì)中的帶通濾波電路各參數(shù)進(jìn)行仿真測(cè)試，在幅頻特性圖中可以看出該濾波電路可以有效濾除1.687 kHz之外的干擾信號(hào)。

經(jīng)過(guò)濾波電路濾除干擾信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)線(xiàn)性整流電路將正弦交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。該直流電壓信號(hào)是模擬信號(hào)，這個(gè)模擬量要輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算才能得到接地電阻的阻值，因此要通過(guò)AD轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。AD轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)為分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間、精度等[15]。綜合考慮以上3個(gè)因素，選用TI的ADS8345作為AD轉(zhuǎn)換芯片。ADS8345是16位8通道輸入(或4通道的差分輸入)串行輸出的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣速率為105次/s。ADS8345內(nèi)部不含基準(zhǔn)參考電壓，為了保證轉(zhuǎn)換的精度，減小誤差，采用REF192作為基準(zhǔn)參考電壓發(fā)生器。REF192基準(zhǔn)源芯片具有高精度、低溫漂、低功耗且兼有睡眠功能的特點(diǎn)，能滿(mǎn)足工作需要。

圖5 單片機(jī)工作流程圖Fig.5 Flowchart of SCM

2.3 GPRS通信模塊

GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，信號(hào)穩(wěn)定，可以滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)通信的要求。因此，接地電阻阻值遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)的通信模塊采用SIM900A。SIM900A內(nèi)置TCP/IP協(xié)議簇，采用標(biāo)準(zhǔn)AT命令接口，用戶(hù)可以通過(guò)AT命令對(duì)GPRS進(jìn)行操作并完成數(shù)據(jù)傳輸，并且具有睡眠模式。SIM900A采用串口與MSP430F149進(jìn)行連接，MSP430F149發(fā)出的AT命令通過(guò)串口以字符串的形式傳給SIM900A，SIM900A接收到AT命令后進(jìn)行相應(yīng)的操作。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)工作流程如圖5所示。單片機(jī)功能使用Keil C51來(lái)編碼實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)上電復(fù)位后，首先對(duì)各部件進(jìn)行初始化設(shè)置，當(dāng)初始化完成后，進(jìn)行自檢，通過(guò)對(duì)已知電阻進(jìn)行測(cè)量，作為參考基準(zhǔn)，用線(xiàn)性差值法進(jìn)行校正，從而減小溫漂和零漂，獲得更為精確的阻值。自檢完成后，單片機(jī)進(jìn)入待命狀態(tài)。上位機(jī)發(fā)出命令后，根據(jù)命令執(zhí)行不同的操作。單片機(jī)接收到測(cè)量命令后，將控制字寫(xiě)入AD9850中，AD9850輸出正弦信號(hào)，被測(cè)電阻產(chǎn)生感應(yīng)電流，通過(guò)電流互感器感應(yīng)電流，將電流信號(hào)進(jìn)行放大，濾除干擾，轉(zhuǎn)換為直流信號(hào)，通過(guò)ADS8345輸入單片機(jī)內(nèi)進(jìn)行阻值計(jì)算。在進(jìn)行12次測(cè)量后去除最大、最小值，取10次測(cè)量的平均值作為待測(cè)量電阻阻值，阻值通過(guò)GPRS模塊上傳到上位機(jī)。單片機(jī)接收到網(wǎng)絡(luò)設(shè)置命令后，與上位機(jī)通信，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)與數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)工作界面如圖6所示。上位機(jī)軟件以Visual Studio 2015為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，以C#為開(kāi)發(fā)語(yǔ)言。Visual Studio 2015的C#界面設(shè)計(jì)快捷，代碼運(yùn)行效率高，生成的程序在Windows平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定。該軟件主要完成各檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置、監(jiān)控與用戶(hù)命令傳輸，完成電阻阻值的實(shí)時(shí)處理，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析和預(yù)警。

圖6 上位機(jī)工作界面Fig.6 GUI of host computer

從圖6中可以看出，上位機(jī)軟件首先處理的是對(duì)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的管理工作，將需要測(cè)量的節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)聯(lián)結(jié)起來(lái)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的初始化和通信測(cè)試。初始化完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試，數(shù)據(jù)傳輸正確后發(fā)布測(cè)量命令，單片機(jī)接收命令后進(jìn)行測(cè)量、計(jì)算，并將阻值傳回上位機(jī)。上位機(jī)接收數(shù)據(jù)后根據(jù)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的溫度、濕度與地理位置及系統(tǒng)時(shí)間，調(diào)用不同的季節(jié)系數(shù)對(duì)阻值進(jìn)行校正，以減小誤差[16]；再通過(guò)工作界面進(jìn)行顯示、預(yù)警并完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)工作。新增檢測(cè)節(jié)點(diǎn)操作通過(guò)節(jié)點(diǎn)設(shè)置菜單進(jìn)行，當(dāng)新增節(jié)點(diǎn)輸入對(duì)應(yīng)地址信息后，測(cè)試軟件與新增節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，確認(rèn)新增節(jié)點(diǎn)命令，并對(duì)新增節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)試。

4 測(cè)試結(jié)果

對(duì)5個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果與ZC-8型搖表測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果(業(yè)界測(cè)量標(biāo)準(zhǔn))進(jìn)行比較，結(jié)果如表1所示。通過(guò)表1可知，本系統(tǒng)能對(duì)接地電阻進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，在經(jīng)歷天氣劇烈變化后其測(cè)量值保持不變，測(cè)量的結(jié)果具有誤差小、測(cè)量精度高且受外界因素影響小的特點(diǎn)。

表1 測(cè)量結(jié)果比較Table 1 Comparison of experiment results

5 結(jié) 論

接地電阻阻值遠(yuǎn)程測(cè)量系統(tǒng)可根據(jù)需要實(shí)時(shí)設(shè)置采集點(diǎn)，測(cè)量節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)方便、快捷；實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)在線(xiàn)測(cè)量，測(cè)量誤差??；提高了測(cè)量的自動(dòng)化程度，降低了工作強(qiáng)度。經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定可靠、不易受外界干擾的特點(diǎn)，還具有測(cè)量精度高、組網(wǎng)便捷的優(yōu)點(diǎn)，因此具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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A remote measurement system of grounding resistance value

GUO Yaoquan

(Department of Electrical Engineering, Minxi Vocational and Technical College, Longyan 364021, Fujian, China)

As the grounding resistance measurement instrument fails to measure the grounding resistance remotely and monitor the resistance value in real time, a remote measurement system has been designed by adopting the clamp meter measurement method. With the core of the SCM MSP430F149, the system applied the module SIM900A to transmit data and used VS2015 to write the management software running on host computer, which has made remote real-time measurement, monitoring and data management of the multi-node grounding resistance come true. Compared with the existing measurement systems, the new alternative has eliminated external effects and improved measuring accuracy, with easier access to use.

grounding resistance; MSP430F149; SIM900A; remote measurement

10.3969/j.issn.1671-8798.2017.03.008

2016-12-31

郭耀泉(1974— )，男，福建省龍巖人，副教授，碩士，主要從事電子控制研究。E-mail:gyq918@163.com。

TP273.5；TM152

A

1671-8798(2017)03-0201-05